Electrical Properties of Tin Oxide Based Varistors with PbO Addition in Humid Air
Loading...
Date
2023
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Lithuanian Academy of Sciences
Abstract
ENG: The purpose of this paper is to study the electrical properties of the obtained ceramic varistors with PbO addition in the environments with different air relative humidity. Methodology. The studied ceramics (99.4–x) SnO2–0.5Co3O4–0.05Nb2O5–0.05Cr2O3–xPbO (mol.%) with the PbO concentration of х = 0, 0.1, 0.5, 0.7, 1 and 2 mol.% was produced by the traditional ceramic technology. The sample baking was taking place at 1250°С during 1 h. In the process of electrode production, the In-Ga eutectic was applied. The CVC of the samples were measured in the contained chambers with relative humidity of 10–86% above the surface of the water solution of a proper salt (the details are given in Ref. [8]). The values of nonlinearity coefficient α = (E/j) (dj/dE) were measured at the current density of j = 1 mА/cm2. The breakdown electric field E1 was estimated at the same value of j. The electrical conductivity σ = j/E was obtained in the area of low currents. The humidity sensitivity coefficient S was calculated for the j(E) characteristic at the low field by S = (σw2 – σw1)/σw1, where σw1 and σw2 are the electricalconductivity of the sample in the area of low currents at the air relative humidity w1 = 10% and w2 = 86%, respectively. The value of the activation energy of electrical conduction Eσ was calculated with the help of temperature dependences of electrical conductivity in the low electric field by σ = σ0 exp (–Eσ/kT), where σ0 = const, k is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature. Findings. In order to lower the breakdown electric field and simultaneously decrease the humidity sensitivity coefficient of tin oxide ceramics, one can use a small quantity of lead oxide addition. The lowest values of these parameters (E1 = 4390 V/cm and S = 172) were obtained at the concentration of PbO 0.5–0.7 mol.% in SnO2–Co3O4–Nb2O5–Cr2O3–PbO ceramics. The values of the nonlinearity coefficient of such samples are 41–45. The enhancement of PbO concentration increases the low-field electrical conductivity while passing from high voltage varistors to low voltage ones. The obtained new results help to produce SnO2 based varistors that are designed for lower voltage and are less sensitive to the environment influence. Originality. SnO2–Co3O4–Nb2O5–Cr2O3 ceramics is one of the most investigated systems for varistor production [11–13]. It has great non-ohmic current–voltage characteristics (CVC) with quite a large nonlinearity coefficient α ≈ 40–50 and at the same time great gas sensitive properties. Nowadays, the actual task is to decrease the sensitivity of this system to the air humidity. Earlier, this effect was achieved with adding Bi2O3, V2O2 and CuO to the SnO2–Co3O4–Nb2O5–Cr2O3 system [3, 5, 7–9]. Bi2O3, V2O2 and CuO oxides have low melting temperatures, which are less than burning temperatures of ceramics. The samples with such additions have liquid phases in the process of sintering, that is why the sensitivity of these ceramics to the environment decreases. But the humidity sensitivity coefficient of these samples remains quite large [3]. In order to solve the problem of varistor humidity sensitivity, we decided to add lead oxide to the SnO2–Co3O4–Nb2O5–Cr2O3 system. PbO has the melting point Тm ≈ 886°C, therefore the synthesis of such ceramics is the liquid-phase one. There are no published papers about the lead oxide addition to such system. Practical value. The findings may be used in the production of tin oxide SnO2 ceramics with PbO additions in order to use it in optically transparent conducting materials, gas sensitive sensors and varistors.
UKR: Мета. Мета даної роботи полягає у вивченні електричних властивостей одержаних керамічних варисторів з домішкою PbO у навколишньому середовищі з різним значенням відносної вологості повітря. Методологія. Досліджувана кераміка (99,4–x) SnO2 – 0,5 Co3O4 – 0,05 Nb2O5 – 0,05 Cr2O3 – x PbO (мол. %) з концентрацією PbO х = 0; 0,1; 0,5; 0,7; 1 і 2 мол. % була виготовлена за традиційною керамічною технологією. Зразки спікалися при температурі 1250°С протягом 1 години. Для створення електродів використовувалась In-Ga евтектика. ВАХ зразків були виміряні у закритій ємності з відносною вологістю повітря 10 – 86% над поверхнею водного розчину відповідної солі. Значення коефіцієнта нелінійності α = (E/j) (dj/dE) було визначено при густині струму j = 1 mА/cm2. Значення класифікаційного електричного поля E1 було оцінено при тому ж значенні j. Значення електричної провідності σ = j/E було розраховане в області слабких струмів. Коефіцієнт вологочутливості S був обчислений для j(E) характеристик при слабкому полі за формулою S = (σw2 – σw1)/σw1, де σw1 і σw2 – електричні провідності зразка в області слабких струмів при відносній вологості повітря w1 = 10% і w2 = 86%, відповідно. Значення енергії активації електричної провідності Eσ були обчислені, використовуючи температурні залежності електропровідності в слабкому електричному полі, за допомогою формули σ = σ0 exp (–Eσ/kT), де σ0 = const, k – стала Больцмана, T – абсолютна температура. Результати. Для зменшення значення класифікаційного електричного поля і одночасного зменшення коефіцієнта вологочутливості оксидно-олов’яної кераміки можна використовувати малу концентрацію домішки оксиду свинцю. Найменші значення параметрів E1 = 4390 В/см і S = 172 були отримані при концентрації PbO 0,5 – 0,7 мол. % у SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3 – PbO кераміці. Значення коефіцієнта нелінійності таких зразків дорівнює 41 – 45. Збільшення концентрації домішки PbO призводить до збільшення низько-польової електричної провідності при переході від високовольтних варисторів до низьковольтних. Одержані нові результати допомагають створювати варистори на основі SnO2, які призначені для відносно низьких напруг і не дуже чутливих до впливу навколишнього середовища. Наукова новизна. SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3 кераміка є однією з найбільш досліджених систем для виробництва варисторів. Вона має велику нелінійність ВАХ з досить великим значенням коефіцієнта нелінійності α ≈ 40 – 50 і в той же час значну газочутливість. На сьогодні актуальною задачею є зменшення чутливості цієї системи до вологості повітря. Раніше цей ефект був досягнутий при додаванні Bi2O3, V2O5 і CuO до системи SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3. Оксиди Bi2O3, V2O5 і CuO мають низькі температури плавлення, які менші за температуру спікання кераміки. Зразки з такими домішками мають рідкі фази в процесі синтезу, тому чутливість цієї кераміки до впливу навколишнього середовища невелика. Але значення коефіцієнта вологочутливості таких зразків залишаються достатньо великим. З метою розв’язання цієї проблеми було вирішено додати оксид свинцю до SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3 системи. Оксид PbO має температуру плавлення Т ≈ 886°C, тому синтез такої кераміки є рідкофазним. Раніше не було опубліковано статей про додавання оксиду свинцю до такої системи. Практична значимість. Проведені дослідження можуть бути використані для виробництва кераміки на основі SnO2 з домішкою PbO для виготовлення оптично прозорих провідних матеріалів, газочутливих сенсорів і варисторів.
UKR: Мета. Мета даної роботи полягає у вивченні електричних властивостей одержаних керамічних варисторів з домішкою PbO у навколишньому середовищі з різним значенням відносної вологості повітря. Методологія. Досліджувана кераміка (99,4–x) SnO2 – 0,5 Co3O4 – 0,05 Nb2O5 – 0,05 Cr2O3 – x PbO (мол. %) з концентрацією PbO х = 0; 0,1; 0,5; 0,7; 1 і 2 мол. % була виготовлена за традиційною керамічною технологією. Зразки спікалися при температурі 1250°С протягом 1 години. Для створення електродів використовувалась In-Ga евтектика. ВАХ зразків були виміряні у закритій ємності з відносною вологістю повітря 10 – 86% над поверхнею водного розчину відповідної солі. Значення коефіцієнта нелінійності α = (E/j) (dj/dE) було визначено при густині струму j = 1 mА/cm2. Значення класифікаційного електричного поля E1 було оцінено при тому ж значенні j. Значення електричної провідності σ = j/E було розраховане в області слабких струмів. Коефіцієнт вологочутливості S був обчислений для j(E) характеристик при слабкому полі за формулою S = (σw2 – σw1)/σw1, де σw1 і σw2 – електричні провідності зразка в області слабких струмів при відносній вологості повітря w1 = 10% і w2 = 86%, відповідно. Значення енергії активації електричної провідності Eσ були обчислені, використовуючи температурні залежності електропровідності в слабкому електричному полі, за допомогою формули σ = σ0 exp (–Eσ/kT), де σ0 = const, k – стала Больцмана, T – абсолютна температура. Результати. Для зменшення значення класифікаційного електричного поля і одночасного зменшення коефіцієнта вологочутливості оксидно-олов’яної кераміки можна використовувати малу концентрацію домішки оксиду свинцю. Найменші значення параметрів E1 = 4390 В/см і S = 172 були отримані при концентрації PbO 0,5 – 0,7 мол. % у SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3 – PbO кераміці. Значення коефіцієнта нелінійності таких зразків дорівнює 41 – 45. Збільшення концентрації домішки PbO призводить до збільшення низько-польової електричної провідності при переході від високовольтних варисторів до низьковольтних. Одержані нові результати допомагають створювати варистори на основі SnO2, які призначені для відносно низьких напруг і не дуже чутливих до впливу навколишнього середовища. Наукова новизна. SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3 кераміка є однією з найбільш досліджених систем для виробництва варисторів. Вона має велику нелінійність ВАХ з досить великим значенням коефіцієнта нелінійності α ≈ 40 – 50 і в той же час значну газочутливість. На сьогодні актуальною задачею є зменшення чутливості цієї системи до вологості повітря. Раніше цей ефект був досягнутий при додаванні Bi2O3, V2O5 і CuO до системи SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3. Оксиди Bi2O3, V2O5 і CuO мають низькі температури плавлення, які менші за температуру спікання кераміки. Зразки з такими домішками мають рідкі фази в процесі синтезу, тому чутливість цієї кераміки до впливу навколишнього середовища невелика. Але значення коефіцієнта вологочутливості таких зразків залишаються достатньо великим. З метою розв’язання цієї проблеми було вирішено додати оксид свинцю до SnO2 – Co3O4 – Nb2O5 – Cr2O3 системи. Оксид PbO має температуру плавлення Т ≈ 886°C, тому синтез такої кераміки є рідкофазним. Раніше не було опубліковано статей про додавання оксиду свинцю до такої системи. Практична значимість. Проведені дослідження можуть бути використані для виробництва кераміки на основі SnO2 з домішкою PbO для виготовлення оптично прозорих провідних матеріалів, газочутливих сенсорів і варисторів.
Description
O. Abramova: ORCID 0000-0002-2732-5601
Keywords
varistor, ceramics, SnO2, PbO, relative humidity, варистор, кераміка, відносна вологість, КПтаІМ
Citation
Gaponov A. V., Abramova O. V. Electrical Properties of Tin Oxide Based Varistors with PbO Addition in Humid Air. Lithuanian Journal of Physics. 2023. Vol. 63, No. 1. P. 8–14. DOI: https://doi.org/10.3952/physics.2023.63.1.2.